Uzak galaksilerden gelen bireysel fotonları saymak için kullanılan yeniden canlandırılmış teknoloji

Araştırmacılar, 4,1 metrelik Güney Astrofizik Araştırma Teleskobu’ndaki bir cihazı kullanarak, kaptan yüküne bağlı cihazları (CCD’ler) kullanarak ilk astronomik spektrumu elde ettiler.

Sonuçlar 16 Haziran’da açıklandı. Foto-Optik Enstrümantasyon Mühendisleri Topluluğu Astronomik Teleskoplar + Enstrümantasyon Japonya’da fizik doktorası sahibi Edgar Marrufo Villalpando ile toplantı. Chicago Üniversitesi adayı ve Fermilab DOE Lisansüstü Enstrümantasyon Araştırma Ödülü Üyesi.

Projeyi yöneten ABD Enerji Bakanlığı’nın Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndan kozmolog Alex Drlica-Wagner, “Bu, kaptan-CCD teknolojisi için önemli bir kilometre taşıdır” dedi. “Gelecekteki DOE kozmoloji projeleri için hayati önem taşıyan bu teknolojinin gelecekte kullanılmasıyla ilgili algılanan risklerin ortadan kaldırılmasına yardımcı oluyor.”

Bu, NSF’nin NOIRLab dedektör grubu ile işbirliği içinde Fermilab’daki Laboratuvara Yönelik Araştırma ve Geliştirme programı aracılığıyla tasarlanan ve başlatılan bir proje için önemli bir başarıdır. LDRD, DOE’nin sponsorluğunda ulusal laboratuvarların yeni fikir veya kavramları araştıran araştırma ve geliştirme projelerine dahili olarak finansman sağlamasına olanak tanıyan ulusal bir programdır.

CCD’ler 1969’da Amerika Birleşik Devletleri’nde icat edildi ve kırk yıl sonra bilim adamlarına başarılarından dolayı Nobel Fizik Ödülü verildi. Cihazlar, gelen fotonları elektronlara dönüştüren, ışığa duyarlı piksellerin iki boyutlu dizileridir. Geleneksel CCD’ler ilk olarak dijital kameralarda kullanılan görüntü sensörleridir ve hassasiyetleri elektronik gürültü nedeniyle sınırlı olmasına rağmen astronomi gibi birçok bilimsel görüntüleme uygulaması için standart olmaya devam etmektedir.

Kozmologlar, yıldızların ve galaksilerin dağılımlarını inceleyerek karanlık maddenin ve karanlık enerjinin gizemli doğasını anlamaya çalışıyorlar. Bunu yapabilmek için, daha sönük, daha uzaktaki astronomik nesneleri mümkün olduğunca az gürültüyle görebilen ileri teknolojiye ihtiyaçları var.

Mevcut CCD teknolojisi bu ölçümleri yapabilmektedir ancak uzun zaman almakta veya daha az verimli olmaktadır. Dolayısıyla astrofizikçilerin ya sinyali artırması (yani dünyanın en büyük teleskoplarına daha fazla zaman ayırarak) ya da elektronik gürültüyü azaltması gerekiyor.

Skipper CCD’ler, elektronik gürültüyü bireysel fotonların ölçümüne izin verecek seviyelere düşürmek için 1990 yılında piyasaya sürüldü. Bunu, ilginç piksellerin birden fazla ölçümünü alıp gerisini atlayarak yapıyorlar. Bu strateji, kaptan CCD’lerin toplam okuma süresini azaltırken görüntünün ilgi çekici bölgelerindeki ölçümlerin hassasiyetini artırmasına olanak tanır.

2017 yılında bilim insanları, SENSEI ve OSCURA gibi karanlık madde deneyleri için kaptan CCD’lerin kullanımına öncülük etti, ancak yeni sunum, teknolojinin gece gökyüzünü gözlemlemek ve astronomik veriler toplamak için ilk kez kullanıldığını gösterdi.

31 Mart ve 9 Nisan tarihlerinde araştırmacılar, bir galaksi kümesinden, iki uzak kuasardan, parlak emisyon çizgilerine sahip bir galaksiden ve potansiyel olarak karanlık maddeyle ilişkili bir yıldızdan astronomik spektrumlar toplamak için SOAR İntegral Alan Spektrografındaki kaptan CCD’leri kullandılar. baskın ultra-soluk galaksi. Astrofiziksel CCD gözlemlerinde bir ilk olarak, alt-elektron okuma gürültüsü elde ettiler ve optik dalga boylarındaki bireysel fotonları saydılar.

Marrufo Villalpando, “İnanılmaz olan şey, bu fotonların milyarlarca ışıkyılı uzaklıktaki nesnelerden dedektörlerimize ulaşması ve her birini ayrı ayrı ölçebilmemizdir” dedi.

Araştırmacılar bu ilk gözlemlerden elde edilen verileri analiz ediyor ve SOAR Teleskobu üzerindeki kaptan-CCD cihazının bir sonraki planlanan çalışması Temmuz 2024’te gerçekleşecek.

Kaptan CCD’nin mucidi ve merkezli bir araştırma enstitüsü olan SRI International’da seçkin bir mühendis olan Jim Janesick, “Kaptan doğduğundan bu yana onlarca yıl geçti, bu yüzden teknolojinin onlarca yıl sonra yeniden hayata döndüğünü görmek beni şaşırttı” dedi. Kaliforniya. “Gürültü sonuçları muhteşem. Çok temiz verileri görünce koltuğumdan düştüm.”

Astrofizik için Skipper-CCD teknolojisinin ilk başarılı gösterimiyle birlikte bilim insanları bunu geliştirmek için şimdiden çalışıyor. Fermilab ve Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı tarafından geliştirilen yeni nesil kaptan CCD’ler mevcut cihazlardan 16 kat daha hızlıdır. Bu yeni cihazlar okuma süresini büyük ölçüde azaltacak ve araştırmacılar bunları zaten laboratuvarda test etmeye başladı.

Yeni nesil kaptan CCD’lerin, son ABD parçacık fiziği planlama süreci tarafından önerilen DESI-II ve Spec-S5 spektroskopik deneyleri gibi gelecekteki DOE kozmoloji çabalarında kullanılmak üzere tanımlandı. Buna ek olarak NASA, yakında kurulacak Yaşanabilir Dünyalar Gözlemevi için güneş benzeri yıldızların etrafındaki dünya benzeri gezegenleri tespit etmeye çalışacak CCD’lerin kaptanlığını da düşünüyor.

Programa 2019 yılında katılan Marrufo Villalpando, “Bu dedektörlerin nereye varacağını görmek için sabırsızlanıyorum” dedi. “İnsanlar onları her yerde harika şeyler için kullanıyor; yararları parçacık fiziğinden kozmolojiye kadar uzanıyor. Bu çok önemli bir şey.” çok yönlü ve kullanışlı bir teknoloji.”

Proje, Fermilab, UChicago, Ulusal Bilim Vakfı’nın NOIRLab’ı, DOE’nin Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı ve Brezilya Ulusal Astrofizik Laboratuvarı’ndaki fizikçiler, gökbilimciler ve mühendisler arasındaki yakın işbirliğinin ürünüydü.